Импульсно кодовая модуляция реферат

Обновлено: 04.07.2024

Содержание:

Задание и исходные данные на курсовую работу
Исходные данные к курсовой работе
1. Структурная схема системы связи
2. Выбор схемы приемника
3. Расчет вероятности ошибки на выходе приемника
4. Сравнение выбранной схемы приемника с оптимальным приемником
5. Передача аналоговых сигналов методом ИКМ
6. Помехоустойчивое кодирование
7. Статистическое кодирование
8. Пропускная способность двоичного канала связи
Заключение
Литература
Задание и исходные данные на курсовую работу
Разработать структурную схему системы связи, предназначенной для передачи данных и передачи аналоговых сигналов методом ИКМ для заданного вида модуляции и способа приема сигналов. Рассчитать основные параметры системы связи. Указать и обосновать пути совершенствования разработанной системы связи.
Исходные данные к курсовой работе
Вариант: 03
Способ модуляции: ДЧМ
Способ приема: НЕКОГЕРЕНТНЫЙ
Мощность сигнала на входе демодулятора приемника Р_С= 2,8 мВт.
Длительность элементарной посылки Т=5,0 мкс.
Помеха — белый шум с гауссовским законом распределения.
Спектральная плотность мощности помехи N₀ =0,001мкВт/Гц.
Вероятность передачи сигнала 1 р (1)= 0,15
Число уровней квантования N= 128
Пик-фактор аналогового сигнала П= 2,9
1. Структурная схема системы связи

устройство преобразования передаваемых сигналов;

устройство преобразования принимаемых сигналов;

На рисунке 1.1 приведена структурная схема системы связи.

УПС — модулятор — преобразует сигналы таким образом, чтобы согласовать их характеристики с характеристиками канала связи.

УПС демодулятор — сигнал демодулируется, т. е. восстанавливается первичная последовательность кодовых символов.

Кл.2 — служит для поочередного подключения ПНС и ПДС (Data).

ИП — источник помех. При передаче по линии связи в передаваемый сигнал примешивается различный шум.

2. Выбор схемы приемника

Сигнал на входе приемника представляет собой сложное колебание, в котором для передачи информации используется изменение значения частоты сигнала. При некогерентной обработке высокочастотных сигналов (обработке по огибающей) снижаются требования к точности установления границ посылок элементарных канальных сигналов длительностью Т. Все же для реализации оптимальной схемы средняя частота заполнения сигналов должна быть известна с высокой точностью. При приеме сигналов двоичной ЧМ распространена схема, изображенная на рисунке 2.1.

Правило решения для такого приемника

Рисунок 2.1 Схема неоптимального некогерентного приемника ЧМ сигналов Здесь:

ПФ — разделительные полосовые фильтры, пропускающие без существенных искажений соответственно сигналы S₁(t), S₀(t).

ЧД — частотный детектор. Разностный сигнал двух детекторов подвергается фильтрации в ФНЧ, а результат для выбора сравнивается с нулевым порогом.

Вид сигнала при ЧМ показан на рисунке 2.2.

Спектр сигнала при ЧМ изображен на рисунке 2.3

Рисунок 2.3 Спектры сигналов ЧМ при различных индексах модуляции М

3. Расчет вероятности ошибки на выходе приемника

Вычислим мощность шума на выходе приемника по формуле:

полоса пропускания приемника для ДЧМ;

где T — длительность сигнала;

Отношение мощности сигнала к мощности шума (h 2 ):

где P_С — мощность приходящего сигнала;

Для расчёта вероятности ошибки на выходе приёмника воспользуемся формулой:

Построим зависимость вероятности ошибки от отношения мощности сигнала к мощности шума (h). Результаты расчетов сведены в таблицу 3.1 График зависимости Р_ош от h 2 , изображен на рисунке 3.1

На сегодняшний день в России наиболее интенсивно развиваются сети связи. В условиях современного общества для успешного ведения бизнеса своевременный быстрый и качественный обмен различного рода информацией занимает доминирующую позицию. Каждодневно растет объем передаваемой информации, повышаются требования к качеству ее передачи. За последние 6-7 лет в России с нуля было построено огромное количество сетей мобильной связи, охвативших почти всю территорию страны. Если несколько лет назад мобильный телефон являлся скорее предметом роскоши, то сегодня нельзя представить себе современного делового человека, не обладающего качественной мобильной связью.

Наряду с сетями мобильной связи интенсивно развиваются и модернизируются сети ТФОП. Прокладываются новые кабельные магистрали, устаревшая аналоговая аппаратура заменяется современной и технически более совершенной цифровой аппаратурой, расширяются емкости сетей связи, скорость передачи и помехозащищенность информации. В последние годы все шире внедряются цифровые системы связи (ЦСС) для передачи речи и данных. В данный момент на рынке присутствует большое количество предприятий, выпускающих цифровую аппаратуру для сетей связи. ЦСС позволяют достичь высоких скоростей передачи, высокой производительности узлов коммутации, высокой помехоустойчивости. Были впервые использованы для цифровой передачи речи. Наиболее известны системы цифровой передачи телефонных сигналов с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Широкое применение получили цифровые сети интегрального обслуживания - ISDN. В них, используя указанный подход, организуются цифровые каналы, которые объединяются в уплотненный тракт. Эти сети позволяют одновременную передачу различных видов информации: данные, речь, видеоизображение.

Импульсно-кодовая модуляция ИКМ (Pulse-Code Modulation - PCM-модуляция) используется для оцифровки аналоговых сигналов перед их передачей. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение PCM-модуляции.

Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) PCM-модулированный сигнал из аналогового, амплитуда аналогового сигнала измеряется через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки) кратна максимальной частоте (Гц) в спектре аналогового сигнала. Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 или 1).

На приемном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала.

В результате типичный цифровой канал с ИКМ требует скорость передачи 64 Кбит/с. Отдельные цифровые каналы в свою очередь объединяются в общий поток. Широкое применение получили 2 формата объединения:

В Европе используется другой стандарт, который предусматривает объединение 30 речевых каналов со скоростью 64 Кбит/с и 2-х каналов управления и сигнализации с той же скоростью. В результате обеспечивается скорость передачи 2,048 Мбит/с. Это обеспечивает аппаратура первичного временного группообразования. Из 30 каналов ТЧ формируется первичный цифровой поток Е1. Потоки Е1 могут объединяться в потоки более высоких уровней Е2, Е3 и Е4 по принципу: 4 потока более низкого уровня объединяются в поток на одну ступень выше.

Иерархия систем передачи с ИКМ представлена на рис. 1

Цифра в названии аппаратуры ИКМ указывает количество каналов ТЧ, уплотняемых и передаваемых данной аппаратурой. (ИКМ-30 - 30 каналов ТЧ и т. д.)

В состав аппаратуры ИКМ входят следующие основные узлы и блоки:

Аппаратура аналого-цифрового преобразования. Обеспечивает преобразование аналоговых сигналов приходящих от абонентов связи в цифровые сигналы для их последующего уплотнения и передачи по линии связи. На приемной стороне обеспечивает преобразование из цифрового сигнала в аналоговый для отправки к абоненту.

Мультиплексоры временного группообразования. Уплотняют цифровые сигналы от разных каналов (потоков) в общий цифровой поток.

Оконечная аппаратура линейного тракта (ОАЛТ) выполняет задачу перекодировки сигнала цифрового группового тракта в линейный цифровой сигнал, а также задачу согласования электрических характеристик станционного оборудования с линией.

системы с временным разделением каналов ИКМ обладают более высокой помехозащищенностью, чем системы с частотным уплотнением и с однополосной модуляцией, что позволяет использовать их в линиях с большим уровнем шумов и значительным уровнем нелинейных искажений. Таким образом, качество передачи информации почти не зависит от расстояния и топологии сети;

в системах с ИКМ отсутствует накопление шумов при ретрансляции благодаря возможности регенерации сигнала и применению корректирующих кодов;

позволяют упростить коммутацию сигналов, так как цифровая аппаратура сравнительно просто контролируется и требует минимума регулировочных операций;

системы с ИКМ легко сопрягаются с электронными АТС, что позволяет более простыми методами создавать интегральные сети связи;

кроме всего прочего системы с ИКМ экономически выгодны как при разработке, так и при производстве.

При всех вышеперечисленных достоинствах у цифровых систем есть недостатки, основным из которых является значительное расширение полосы частот. При одном и том же числе каналов для передачи группового сигнала системе с ИКМ потребуется полоса частот примерно в 15 раз больше, чем системе с частотным уплотнением. При организации линии связи с использованием металлического кабеля уменьшается длина регенерационного участка, т. к. передача ведется на более высокой частоте, а при повышении частоты передачи растет километрическое затухание в кабеле связи. Однако эти недостатки компенсируется перечисленными выше достоинствами.

цифровая модуляция связь декодер

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

КОД - кодирующее устройство,

ЛС - линия связи,

Закон распределения – равномерный

Номер передаваемой кодовой комбинации – 126

Вид модуляции – ФМ

Спектральная плотность мощности шума – 2,2∙10-5 В2 / Гц

Способ приема - когерентный

Число каналов - 4

2.1 Одномерная плотность вероятности

Равномерная одномерная плотность вероятности для мгновенных значений ИС описывается формулой ([3], с.20-21):

(2.1)

А ее график имеет вид:

Рис.2.1. График одномерной плотности вероятности мгновенных значений ИС

2.2 Интегральная функция распределения

Одномерные дифференциальная и интегральная функции распределения связаны соотношением ([3],c.20, ф.(1.3)):

(2.2)

Интегральная функция распределения для равномерного закона имеет вид ([3], с.20-21):

(2.3)

График этой функции распределения имеет вид :

Рис.2.2. График для функции распределения мгновенных значений ИС

2.3 Числовые характеристики сигнала

Значительную роль при исследовании случайных процессов играют их числовые характеристики:

(2.4)

(2.5)

цифровая модуляция связь декодер

3. РАСЧЕТ ДИСКРЕТИЗАТОРА

Выбор частоты дискретизации. Осуществляется в соответствии с теоремой Котельникова, которая гласит, что любой непрерывный сигнал ограниченный по спектру верхней частотой Fв, полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Тд .

Таким образом, если требуется передать непрерывный сигнал с ограниченным спектром, то не обязательно передавать весь сигнал, а достаточно передать лишь его мгновенные значения, отсчитанные через определенные интервалы времени. В соответствии с этим частота следования дискретных отсчетов сигнала т.е частота дискретизации Fд.

Определим интервал дискретизации по формуле:

Для равномерно распределенного случайного процесса средняя мощность шума квантования определяется по формуле:

Отношение мощностей сигнал/шум. Рассчитаем отношение средних мощностей сигнала и шума – это отношение дисперсии сигнала к средней мощности шума. Рассчитывается по формуле:

4. РАСЧЕТ КОДЕРА

формирование комбинации помехоустойчивого кода.

Теперь представим передаваемое число 126 в виде примитивного двоичного кода. Для этого просто переведем число 126 в двоичную систему исчисления.

В примитивном коде передаваемой комбинации содержится 7 информационных символов.

Проверочные символы кодовой комбинации формируются по следующему принципу:

1-й символ равен сумме 1-го, 2-го и 3-го информационных символов

2-й проверочный символ равен сумме 1-го, 3-го и 4-го информационных символов

При формировании проверочных символов суммирование производится по модулю 2. Это значит, что при сложении по модулю 2:

1 и 0 в сумме дадут 1,

два нуля или две единицы в сумме дают 0.

Для нахождения всех разрешенных комбинаций кода Хэмминга составим порождающую матрицу размера (k x n), здесь n – общее число символов в одной кодовой комбинации, k – число информационных символов. Эта матрица строится по принципу: строками служат разрешенные ненулевые комбинации, информационные символы которых образуют единичную матрицу 4x4, а проверочные символы определяются по правилу, описанному выше. При построении матрицы надо помнить, что кодовые комбинации, определяющие строки порождающей матрицы, записываются слева направо.

Все разрешенные кодовые комбинации можно найти с помощью порождающей матрицы. Для этого нужно сложить по модулю 2 две или более строк порождающей матрицы. А чтобы получить нулевую комбинацию, нужно сложить по модулю 2 любую строку саму с собой.

Порождающая матрица для кода Хэмминга типа (7,4,3) имеет следующий вид:

С помощью порождающей матрицы найдем все разрешенные кодовые комбинации, сведем их в таблицу.

Импульсно-кодовая модуляция. Кодирование аналоговых сигналов. Системы передачи с временным разделением каналов. Функциональные модули сети. Архитектура (радиально-кольцевая, линейная, "кольцо-кольцо") и топологии сети ("точка-точка", "звезда", "кольцо").

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	20.01.2013
Размер файла	448,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Задача 1. Импульсно-кодовая модуляция

Сумма двух последних цифр шифра - 13

Число телефонных каналов системы передачи - 28

1. Длительность цикла равна периоду дискретизации:

Период дискретизации выбирается на основе теоремы Котельникова:

где - верхняя частота спектра первичного (непрерывного) сигнала;

Для стандартных телефонных каналов, занимающих полосу частот 0,3-3,4 кГц, частоту берут с запасом для возможности выделения первичного сигнала на приеме при помощи фильтра нижних частот с реальными характеристиками. Она принимается равной 8 кГц.

2. Число канальных интервалов в цикле передачи заданной системы передачи:

N - число телефонных каналов в системе передачи

Длительность канального интервала :

3. Тактовый интервал (период следования кодовых символов 0 и 1)

m - число символов в кодовой группе(разрядность кода). Примем m=8, а длительность кодового импульса

4. Длительность сверхцикла в групповом сигнале:

5. Определим тактовую частоту группового цифрового сигнала и ширину полосы частот , необходимую для его передачи

Реальные исходные сигналы имеют спектры, которые ограничены полосой

Тогда ширина спектра амплитудно-модулированного (АМ) сигнала будет равна:

?f = f0 + Fmax - f0 + Fmax = 2Fmax.

Для телефонных сигналов (Fmin = 0,3 кГц, Fmax = 3,4 кГц) с ?F = 3100 Гц и Fmax = 3400 Гц ширина спектра ?fa = 6800 Гц.

Ширина спектра частот ИКМ-сигнала в тысячи раз больше ширины спектра АМ-сигнала при одинаковом числе каналов.

Задача 2. Кодирование аналоговых сигналов

Значение отсчета: 18,1 В

Шаг квантования: 0,06 В

1) Напряжение кодируемого отсчета можно записать так:

Поскольку кодируемый отсчет положительный, в первой позиции кодовой группы будет 1

2)Поиск и кодирование сегмента начинаются со второго такта кодирования

3) При третьем такте х сравнивается с эталонным напряжением 512. Сравнение показывает, что х 256, что означает, что х находится в пределах сегмента С5. В четвертой позиции кодовой группы фиксируется 1.

В итоге двоичный номер сегмента, в котором находится кодируемое значение х, будет значение 101

В последующих четырех тактах кодирования определяется уровень квантования в сегменте С5 (шаг квантования 16 и эталонный сигнал 256)

На рис. 2 представлена модель форматирования и передачи низкочастотных сигналов. Данные, уже имеющие цифровой формат, могут пропускать этап форматирования. Текстовая информация преобразовывается в двоичные коды с помощью кодера. Аналоговая информация форматируется с использованием трёх отдельных процессов: дискретизация, квантование и кодирование. Во всех случаях после форматирования получается последовательность двоичных цифр.

Цифры необходимо передать через низкочастотный канал (коаксиальный кабель). При этом никакой канал использовать нельзя, пока двоичные цифры не будут преобразованы в сигналы, совместимые с этим каналом. Для низкочастотных каналов такими совместимыми сигналами являются видеоимпульсы.

Мы не будем останавливаться подробно на этапе форматирования цифровых и аналоговых данных. Отметим только, что при форматировании текстовой информации в использует один из нескольких стандартов: ASCII (American Code for Information Interchange), EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), код Бодо, код Холлерита и др. При переводе аналоговой информации в цифровой вид используют дискретизацию, результатом которой является сигнал в амплитудно-импульсной модуляции (pulse-amplitude modulation — PAM). Такое название возникло потому, что выходящий сигнал можно описать как последовательность импульсов с амплитудами, определяемыми выборками входного сигнала. Аналоговый сигнал восстанавливают (с определённой степенью точности) с помощью фильтра низких частот. Сопряжение сигнала с цифровой системой осуществляется квантовыми выборками; ясность вносит рис. 3.

Подробнее об этом можно прочесть в [1]. Перейдем к сути импульсно-кодовой модуляции.

Импульсно-кодовая модуляция (pulse-code modulation — PCM) — это низкочастотные сигналы, полученные из амплитудно-модулированных сигналов путем кодирования каждой квантованной выборки цифровым словом. Иллюстрирует импульсно-кодовую модуляцию рис. 4.

Исходная информация дискретизируется и квантуется в один из L уровней, после этого каждая квантовая выборка проходит цифровое кодирование для превращения в l-битовое (l=log[2]L) кодовое слово. Предположим, что амплитуды аналогового сигнала x(t) ограничены диапазонов от -4B до +4B. Шаг между уровнями квантования составляет 1В. Следовательно, используются 8 квантовых уровней, расположенных на -3,5, -2,5. +3,5В. Каждому уровню присваивается номер от 0 до 7, каждый номер имеет представление в двоичной форме: 000, … 111. Интервалы квантования удобно выбирать одинаковыми, уровни симметричны относительно нуля. На оси ординат отложены уровни квантования и их кодовые номера. Каждая выборка аппроксимируется ближайшим уровнем квантования. Отметим, что число уровней может быть равняться 8, 16, 32 или 64. Длина кодовых слов будет равна 3, 4, 5, 6 соответственно.

Процесс кодирования, следующий за квантованием, часто воплощается одним на аппаратном уровне и тем же устройством. Иначе, этот процесс может быть описан так: последовательна аппроксимация аналого-цифровых преобразователей образуется последовательные биты данных с помощью обратной связи, сравнения и процесса принятия решения. При последовательной аппроксимации результат каждого предыдущего решения снижает неопределённость, которая должна быть разрешена во время последующего преобразования. Эта редукция неопределённости достигается путем передачи каждой последующей выборке вспомогательной информации о предыдущей. Эта информация называется избыточной частью сигнала, и с помощью её передачи сокращается интервал неопределённости, в котором квантующее устройство и кодер должны вести поиск следующей выборки сигнала. Используя таким образом прошлые данные для квантования и кодирования новых переходи от обычной импульсно-кодовой модуляции к дифференциальной (differtential pulse-code modulation — DPCM). Для квантующего устройства эту дополнительную информацию можно рассматривать в качестве инструкции по руководству при поиске следующего выборочного значения в конкретном интервале.

Суть дельта-модуляции состоит в том, что в каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Если отсчёт сигнала превышает по амплитуде пилообразное напряжение, то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе наклон пилообразного напряжения сохраняется неизменным на всём протяжении процесса. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага , можно получить любую заданную точность представления сигнала. Преимущество дельта-модуляции по заключается в простоте реализации.

Читайте также: